海缆拖拉过程中移动检测机器人

技术领域

本发明涉及一种海缆拖拉过程中移动检测机器人，是一种在水下敷设海缆的穿管过程中对海缆自身进行状态检测的巡检设备，涉及基于水平定向钻技术的地下管线敷设施工技术，尤其是用于海缆检测、维护等作业设备的夹紧装置。属于海洋装备技术领域。

背景技术

在我国渤海区域，对于渤海油田的开发正在不断发展过程中，然而随着开采技术和平台的不断发展，油井平台对电力的需求也在日益增加。通过综合比较各种电力供给方式，从岸上通过电缆输送电力最为经济。但是岸电工程实施所在的渤海海域因保护区、航道、锚地密布，对海底电缆的布置及铺设产生了较严重的制约，所以通常采用水平定向钻配合穿越的施工方式。海缆长距离穿越所基于的水平定向钻技术是在不开挖地面的情况下，利用水平定向钻机进行的一种地下管线敷设的施工技术。水平定向钻机能够利用钻头在地层中钻进，利用钻头上的导向系统控制钻孔的轨迹，按照设计要求的路径直达管线的出口，然后进行回拉扩孔，且根据工程工艺要求可进行多次扩孔，再把待铺管道由孔内拉过去，管道就位后穿入电缆，完成电缆的敷设任务。

因此，对于海缆在钢制护管内拖拉的工况下，需抵消海缆和护管内壁之间1000米以上接触长度的摩擦力，这时海缆拖动所施加的牵引力已大幅超出海缆自身的最大允许拉力，会造成海缆的机械损坏，使海缆表面出现裂纹甚至断裂，这种情况极其危险，给油气公司造成经济损失的同时更加增加了环境负担。本发明设计的海缆移动检测机器人，将用于海缆拖拉过程在管道内对其进行检测，对于其危险截面进行报警，保护电缆不被拉断。

发明内容

本发明的目的是公开一种用于海缆穿管拖拉过程中的移动检测机器人，通过检测海缆径向形变量来防止海缆拖拉力过大发生断裂。它适用于海缆的最大直径介于252-300mm之间、钢制护管内径610mm、水深10-200m、拖拉长度>1000m的海缆穿管拖拉情况。

本发明的目的是这样实现的：包括夹紧机构、驱动机构、行走机构，所述夹紧机构包括中间支承杆件、设置在中间支撑杆件上端中心位置的中心块限位轴、设置在中心块限位轴上的中心块、分别与中心块两侧铰接的两个滑块、对称铰接在中间支撑杆件上的左侧夹紧臂和右侧夹紧臂、设置在左侧夹紧臂和右侧夹紧臂之间的微型液压缸、通过上侧弧板支撑轴设置在中间支撑杆件下方的上侧弧板、分别设置在左侧夹紧臂和右侧夹紧臂端部的两侧夹紧弧板，两个滑轮还分别与左右侧夹紧臂的滑槽连接；在中间支撑杆件两侧分别设置有外夹持壳体，两个外夹持壳体之间设置有驱动机构支撑支座，在驱动机构支撑支座上方设置有驱动机构，在外夹持壳体设置有行走机构，在上侧弧板、两侧弧板上分别设置有牛眼轮支承座和传感器支承座，每个传感器支承座上设置有位移传感器。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.行走机构包括与外夹持壳体固连的行走机构基座，轮子焊接块的两侧分别与两个行走机构基座固定连接，万向轮底板与轮子焊接块通过底板固定螺母、支撑板固定螺栓固定连接，万向轮支承板与万向轮底板铰接，万向轮通过万向轮销轴用圆螺母和万向轮销轴与万向轮支承板铰接。

2.驱动机构包括设置在驱动机构支撑支座上的驱动机构底盘，且驱动机构底盘能绕驱动机构支撑支座的中心轴转动，转向电机与驱动机构底盘固定连接，其输出端与主动小齿轮连接，主动小齿轮和从动大齿轮啮合，带动驱动机构实现周向位姿调整；从动大齿轮固定在驱动机构支撑支座上；液压马达通过液压马达固定螺栓与固定基座固定连接，其输出端连接驱动轮，实现驱动前进功能。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：与现有的管道内海缆光学检测技术相比，在检测过程中，光学检测技术所使用的摄像机传感器测量精度要求再高，受工作环境影响(水、泥沙等)也无法准确测量海缆微小形变，且受自身数据储存容量和电力消耗限制，较高的成本使得光学检测技术不太适用于超长管道内海缆的检测，而海缆移动检测机器人采用的微位移传感检测法，周向布置的传感器实现了对海缆形变量的精确测量，且传输数据条件要求更低，将传感器信息发送到管道外的上位机进行观察或上传到数据库进行处理即可，达到了低成本、高精度的技术优点。

附图说明

图1是海缆拖拉过程中移动检测机器人的轴测图；

图2是海缆拖拉过程中移动检测机器人主视图；

图3是海缆拖拉过程中移动检测机器人中的夹紧机构示意图一；

图4是海缆拖拉过程中移动检测机器人中的驱动机构示意图；

图5是海缆拖拉过程中移动检测机器人中的夹紧机构示意图二；

图6是海缆拖拉过程中移动检测机器人中的夹紧机构剖视图；

图7是海缆拖拉过程中移动检测机器人中的行走机构示意图；

图8是海缆拖拉过程中移动检测机器人液压油路原理图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

结合图1-图8，主要包括驱动机构、液压系统、夹紧机构、海底电缆、液压缸、行走机构等组件。驱动机构和行走机构配合实现整体机构支撑装置的前进和位姿调整。夹紧机构是由液压缸控制夹紧臂的张开和闭合，当中心块到达中心块限位轴上端时海缆被夹紧。

本发明由行走机构1、行走机构基座2、两侧牛眼轮3、传感器固定螺母4、传感器支承座固定螺栓5、传感器支承座6、传感器固定螺栓7、上侧牛眼轮8、夹紧机构9、壳体固定安装螺栓10、壳体固定件11、外夹持壳体12、支撑板固定螺栓13、驱动机构支撑支座14、125mm电动液压舵机驱动机构15、上侧牛眼轮支承座安装螺栓16、上侧安装螺栓止动垫片17、上侧牛眼轮支承座18、微型液压缸19、夹持机构中部固定螺栓20、液压缸固定螺母21、两侧牛眼轮支承座30、两侧牛眼轮支承座安装螺栓31、两侧安装螺栓止动垫片32、KS8微位移传感器33、海底电缆34组成。

夹紧机构7主要包括两侧夹紧弧板35、上侧弧板36、中间支承杆件37、夹紧臂销轴38、夹紧臂销轴用圆螺母39、左侧夹紧臂40、上侧弧板支承轴41、滑块42、中心块43、中心块限位轴44、右侧夹紧臂45。

行走机构1主要包括轮子焊接块22、底板固定螺母23、支撑板固定螺栓24、万向轮销轴用圆螺母25、万向轮支承板26、万向轮27、万向轮销轴28、万向轮底板29。

驱动机构15主要包括主动小齿轮46、驱动机构底盘47、电机固定螺栓48、转向电机49、液压马达50、液压马达固定螺栓51、固定基座52、驱动轮53、从动大齿轮54。

中间支承杆件37为夹紧机构的固定件，中心块限位轴44固定连接在中间支承杆件37的上端中心位置；中心块43在中心块限位轴44上滑动，两侧的滑块42一端铰接在中心块43上，另一端与左右侧夹紧臂的滑槽连接；左右侧夹紧臂通过夹紧臂销轴38、夹紧臂销轴用圆螺母39铰接在中间支承杆件37上，微型液压缸19的两端通过夹持机构中部固定螺栓20和液压缸固定螺母21分别铰接在左侧夹紧臂40和右侧夹紧臂45上，控制夹紧机构的打开和闭合；上侧弧板支承轴41分别固定连接在中间支承杆件37的下端位置，沿海缆的轴向前后对称分布；上侧弧板36与两根上侧弧板支承轴41固定连接；两侧夹紧弧板35分别固定到左侧夹紧臂40和右侧夹紧臂45上，使其成为一个整体，更好地完成夹紧动作。

外夹持壳体12通过壳体固定安装螺栓10、壳体固定件11固定连接在中间支承杆件37上；驱动机构支撑支座14通过四个支撑板固定螺栓13与外夹持壳体12固定连接；外夹持壳体12与行走机构基座2固定连接，每侧壳体留有两个万向轮安装位置、四个行走机构基座，沿海缆轴向对称布置；轮子焊接块22的两侧分别与两个行走机构基座2固定连接，万向轮底板29与轮子焊接块22通过底板固定螺母23、支撑板固定螺栓24固定连接，万向轮支承板26与万向轮底板29铰接，万向轮27通过万向轮销轴用圆螺母25和万向轮销轴28与万向轮支承板26铰接。

上侧牛眼轮支承座18通过上侧牛眼轮支承座安装螺栓16、上侧安装螺栓止动垫片17与上侧弧板36固定连接，沿轴向前后布置，使贴紧的海缆上侧受力均匀；两侧牛眼轮支承座30通过两侧牛眼轮支承座安装螺栓31、两侧安装螺栓止动垫片32与两侧夹紧弧板35固定连接，同理沿轴向前后布置；传感器支承座6通过传感器支承座固定螺栓5与两侧夹紧弧板35固定连接；KS8微位移传感器33通过传感器固定螺母4、传感器固定螺栓7与传感器支承座6固定连接，布置在移动检测机器人的前侧，且在上侧和两侧夹紧弧板沿周向各分布有两个传感器，便于测量海缆的微小形变量。

驱动机构底盘47与驱动机构支撑支座14铰接，可以围绕驱动机构支撑支座14的中心轴转动；转向电机49通过电机固定螺栓48与驱动机构底盘47固定连接，位于一侧，其输出端与主动小齿轮46连接，继而和从动大齿轮54啮合，带动驱动机构实现周向位姿调整；从动大齿轮54固定在驱动机构支撑支座14上；液压马达50通过液压马达固定螺栓51与固定基座52固定连接，其输出端连接驱动轮53，实现驱动前进功能。

液压系统使用的是YGX系列微型液压缸-CA型液压缸，由外部脐带供液，夹紧机构本身具有自锁功能，为保证抓取的可靠性，可对液压缸油路设计锁紧回路，双液控单向阀和三位四通换向阀一起使用，以竖直定位负载；驱动系统使用的是125mm电动液压舵机，可以实现周向旋转，控制机器人在管道内适应海缆的不同变换位置，电动机控制调整位姿，液压马达驱动行走；行走机构使用的是AX-40-S型橡胶万向轮，可配合驱动系统实现移动；检测系统使用的是KS8位移传感器，可以通过多点位检测海缆的截面直径变化来确定海缆的受力情况，来确定拖拉工况。

工作原理：用于海缆拖拉过程中移动检测机器人的操作过程分为放置并定位夹紧海缆、移动检测和姿态的调整两个步骤。针对海缆拖拉受力不均，检测危险截面，提出了下作业方案：

(1)放置和定位夹紧海缆：当电磁铁1YA通电时，压力油经过电磁阀左位，经过调速阀Q1后进入液压缸19左腔，单活塞杆液压缸伸出，使夹紧臂大幅度打开；装置吊装到拖拉穿管的海缆34上方并缓慢下放，待上侧弧板处的牛眼轮8贴紧海缆后，1YA断电，2YA通电，压力油经过电磁阀右位进入液压缸19右腔，单活塞杆液压缸收缩，左夹紧臂40和右夹紧臂45闭合抓紧，中心块43到达中心块限位轴44的极限位置，随后电磁铁1YA和2YA断电，换向阀为Y型机能中位，X1和X2构成双向液控单向阀，液压缸进出油路关闭，如果液压缸无泄漏，则可靠对液压回路进行定位，锁紧回路保证了夹紧的长时间有效，同时使得两侧夹紧弧板处的牛眼轮3也贴紧海缆34，完成装置的定位夹紧。

(2)姿态的调整和移动检测：将装置缓慢推送入护管内，使得125mm电动液压舵机驱动机构15和行走机构1的橡胶轮完全贴合到护管，根据海缆34和护管的相对位置自动调整姿态，随后通过控制电磁铁3YA和4YA的通断电来完成前进和后退的移动，并通过单向调速阀Q2和Q4实现进油向的流量调节，同时使用调速阀Q3实现整体油路流量恒定；待支撑稳定后，调试传感器33的相对位置，确保其完全接触到海缆并且得以正常工作，在随海缆拖拉过程中，不断移动并检测海缆的受力情况，确保其不会发生机械损坏。

检测原理：机器人所使用的KS8微位移传感器采用电位计原理，内置弹簧可一直贴紧海缆表面，便于对海缆的形变进行直接测量，输出直流电压信号。当海缆在拖拉过程中发生形变拉伸时，关键受力部位的海缆横截面积会变小，由于微位移传感器沿海缆的周向布置，所以可以精确测量出变化量，当变化量超过设定警戒值时，说明海缆受力过大，拉伸变细出现机械损坏，此时机器人发出报警，防止海缆拖拉力过大发生断裂。

此用于海缆拖拉过程中移动检测机器人是根据我国海底电缆管线内拖拉的实际需要，并结合我国渤海地质条件与岸电工程技术做出的，满足如下设计要求：

1)装置应用于海缆穿管拖拉长度>1000m，具有自动化巡检能力，易于安装和实施；

2)装置应用于水深10-200m处；

3)装置能够治理不同尺寸规格的海缆拖拉问题。

用于海缆拖拉过程中移动检测机器人主要应用于海缆直径φ252-300mm、水深10-200m的近海水域、护管直径610mm、海缆穿管拖拉长度>1000m的海缆拖拉检测作业。对于此设计的实施例中所抓取的海缆直径φ262mm，总跨长度1000m，允许拉力270.248kN，外置铠装和涂胶布带。

夹紧机构液压缸内壁直径D＝20mm、液压杆直径d＝10mm，额定压力7MPa，两中心孔距离278mm。如图1～图3所示，结构支撑装置的设计参数为：规格(长×宽×高)：480×580×560mm；重量：30kg；驱动机构支撑支座5钢板厚底10mm；中心块36尺寸40×40×20mm；待夹紧海缆19直径262mm；中间支承杆件30的宽度40mm；左夹紧臂33和右夹紧臂38板厚60mm；上侧弧板29和两侧夹紧弧板28板厚均为10mm；外夹持壳体4外径D＝550mm，壁厚10mm；两侧夹紧弧板处的牛眼轮22和上侧弧板处的牛眼轮27沿周向各间隔90°布置，KS8微位移传感器18同理布置。

用于海缆拖拉过程中移动检测机器人实现了海缆直径φ252-300mm、海缆穿管拖拉长度>1000m的海缆拖拉检测作业。夹紧结构对海缆和管线的适应能力较强，微动力传感器的敏感精度高可实现实时检测海缆受力形变情况，以防止出现机械损坏，驱动机构与行走机构配合实现机器人在管线内与海缆相对位置的调整，保证正常机动完成巡检作业。